Бор (B) — элемент III группы периодической системы, химически
активный неметалл с атомным номером 5. Находится на границе металлов и
неметаллов, обладает как ковалентными, так и полуметаллическими
свойствами. В природе встречается в виде минералов — боросиликатов,
боритов и кернитов. Чистый бор в природе практически отсутствует из-за
высокой химической активности. Атомная масса элемента составляет 10,81
г/моль, плотность аморфного бора около 2,34 г/см³. Температура плавления
достигает 2076 °C, температура кипения превышает 4000 °C, что
обусловлено прочностью борных ковалентных сеток.
Ключевые физические свойства:
- Аморфный и кристаллический бор — твёрдые вещества серо-чёрного
цвета.
- Аморфный бор более реакционноспособен, чем кристаллический.
- Высокая твердость (около 9 по шкале Мооса) и химическая стойкость
при комнатной температуре.
Аллотропные формы
Бор проявляет разнообразие аллотропных модификаций:
- Аморфный бор — мелкодисперсный порошок, получаемый
восстановлением борных соединений металлами (например, водородом или
магнием).
- Кристаллический бор — сложные структуры с
icosahedral (додекаэдрические) кластеры B₁₂, соединённые в трёхмерные
сети. Наиболее известные модификации: β-B, α-B, γ-B.
- Наноструктурные формы — борные нанотрубки и
борофен, проявляющие уникальные физико-химические свойства, интересные
для материаловедения.
Электронная
структура и химическая активность
Атом бора имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p¹. Три валентных
электрона образуют ковалентные связи, что делает бор
электроно-дефицитным элементом. Это объясняет способность бора
формировать тригидриды, бораны и комплексы с лигандами, имеющими
неподелённые электронные пары. Бор проявляет амфотерные
свойства в соединениях с кислородом, способный действовать как кислота и
как слабое основание.
Основные соединения бора
Боратная химия
Бор в основном встречается в виде оксидов и кислых солей:
- Оксид бора (B₂O₃) — твёрдое аморфное вещество с
высокой температурой плавления (450 °C), применяется для получения
боросиликатного стекла и керамики.
- Борные кислоты (H₃BO₃) — белые кристаллы, слабые
кислоты, растворимые в воде, разлагаются при нагревании до B₂O₃ и
H₂O.
- Бораты (солей H₃BO₃ и B₂O₃) — Na₂B₄O₇·10H₂O (бура),
K₂B₄O₇·4H₂O, CaB₆O₁₁ и другие, широко используются в стекольной и
керамической промышленности.
Бораны
Бораны — гидриды бора общего состава BₓHᵧ, включающие линейные,
циклические и кластерные формы:
- B₂H₆ (дизборан) — высокореактивный газ,
пиротехнически активен, используется как восстановитель и прекурсор
сложных борных соединений.
- Кластерные бораны (B₆H₆²⁻, B₁₂H₁₂²⁻) — стабильные
полиэдральные анионы, формируют соль со щелочными и щелочноземельными
металлами.
Химические свойства бора:
- Реакция с кислородом: 4B + 3O₂ → 2B₂O₃
- Восстановление соединений металлов до бора: B₂O₃ + 3Mg → 2B +
3MgO
- Формирование комплексов с Lewis-основаниями (например, BCl₃ + 2NH₃ →
[B(NH₃)₂]Cl₃)
Галогениды
Бор образует галогениды трёхвалентного типа: BF₃, BCl₃, BBr₃, BI₃.
Эти соединения:
- Летучи и гидролизуются в присутствии воды с образованием
соответствующих борных кислот.
- BF₃ — сильный Lewis-акцептор, используется как катализатор в
органическом синтезе.
- BCl₃ и BBr₃ активно реагируют с органическими соединениями, участвуя
в боросилансировании и дегидратации спиртов.
Органические соединения бора
Органобороновые соединения широко применяются в
синтетической химии:
- Боратные эфиры (R₃B, R₂B–OR) — реагируют с
кислородом и водородом, используются в гидроборировании алкенов.
- Борорганические реагенты (R₂B–X) — применяются в
Suzuki–Miyaura кросс-сочетаниях для образования C–C связей.
Биологическая роль и
промышленное значение
Бор является микроэлементом, необходимым для растений, регулируя рост
и метаболизм клеточных стенок. В промышленности соединения бора
применяются:
- Для получения боросиликатного стекла, устойчивого к термическим и
химическим воздействиям.
- В керамике, флюсах и стеклоэмалях.
- Как катализаторы в органическом синтезе и компонентов борных
топлив.
- В полупроводниковой и наноэлектронной промышленности, благодаря
способности бора создавать ковалентные кристаллические решётки с
кремнием и другими элементами.
Заключение по химической
природе бора
Бор — уникальный элемент, сочетающий свойства металлов и неметаллов,
образующий сложные ковалентные сети и электроно-дефицитные соединения.
Его химия охватывает широкий спектр — от простых оксидов до
полиэдральных боранов и органических производных, что делает его важным
как в фундаментальной науке, так и в промышленных технологиях.